Un nuevo metamaterial fractal mejora el sonido en las cabinas de autos

Los entusiastas de los automóviles suelen invertir grandes sumas de dinero en sistemas de audio que prometen mejorar la calidad del sonido en sus vehículos. Sin embargo, la dirección inherente de los altavoces y las complejas formas de las cabinas pueden acentuar las disparidades sonoras entre el conductor y los pasajeros, independientemente de cuán avanzado sea el sistema de altavoces.

En el Journal of Applied Physics, un grupo de investigadores de diversas instituciones en China presentó un prototipo que utiliza un diseño fractal para mitigar estas diferencias de sonido.

Los fractales son formas únicas que pueden dividirse en partes infinitamente más pequeñas, cada una de las cuales se asemeja a la forma original. El famoso fractal de la nieve de Koch se asemeja a un copo de seis puntas y puede construirse de manera iterativa, comenzando con un triángulo equilátero. Los investigadores utilizaron esta forma para crear un metamaterial que puede manipular el sonido al colocarse frente a un altavoz.

"Cuando las ondas sonoras interactúan con obstáculos de tamaño comparable a su longitud de onda, ocurren efectos de difracción, especialmente en los bordes", explicó el autor Ming-Hui Lu. "Las estructuras fractales, cuyo perímetro y morfología evolucionan con el aumento de la dimensión fractal, ofrecen una solución prometedora para gestionar estos efectos de difracción".

A medida que aumenta la dimensión fractal de Koch, el área se mantiene constante mientras que el perímetro puede crecer significativamente, permitiendo una mayor difracción de los bordes—la curvatura de las ondas sonoras alrededor del fractal—sin aumentar el tamaño del metamaterial, lo que lo haría demasiado voluminoso para los altavoces de automóviles. Esto crea un control de frente de onda de banda ancha, asegurando una distribución más uniforme de la energía acústica. En un automóvil, esto se traduce en un mejor campo sonoro para todos los ocupantes.

Para crear su metamaterial, los investigadores utilizaron un moldeo preciso para dar forma al fractal y luego lo colocaron sobre un altavoz de automóvil. Midieron los niveles de presión sonora en diferentes asientos del vehículo y encontraron que la disparidad disminuyó significativamente, incluso en frecuencias más altas, un desafío común para muchos altavoces.

"Estos resultados demuestran que la metasuperficie fractal contribuyó exitosamente a un campo sonoro de alta frecuencia más uniforme, lo que llevó a una mejora notable en la experiencia auditiva para los pasajeros", afirmó Lu.

Para sorpresa y satisfacción de Lu, tanto las pruebas de laboratorio como las pruebas en el vehículo mostraron resultados robustos para el control del campo sonoro.

"Los resultados de las pruebas en el vehículo fueron notablemente consistentes con los hallazgos de laboratorio, lo que indica que el rendimiento de la metasuperficie fractal fue tanto confiable como estable en diversas condiciones", comentó Lu.

Mientras los investigadores planean ampliar el ancho de banda operativo del metamaterial, también están en contacto con su socio automotriz, Chery Automobile Co., para explorar oportunidades de comercialización.